Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі

Рассмотрена гибридная структура сильнотокового высоковольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакопеременного тока с точки зрения реализации позитивных свойств двооперационных асимметричных тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором в направлении снижения потерь мощности в к...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Електротехніка і електромеханіка
Date:	2007
Main Authors:	Панасенко, М.В., Панасенко, Н.М., Хворост, В.Ю.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2007
Subjects:	Електричні машини та апарати
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142913
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі / М.В. Панасенко, Н.М. Панасенко, В.Ю. Хворост // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 5. — С. 24-29. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860251056520298496
author	Панасенко, М.В. Панасенко, Н.М. Хворост, В.Ю.
author_facet	Панасенко, М.В. Панасенко, Н.М. Хворост, В.Ю.
citation_txt	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі / М.В. Панасенко, Н.М. Панасенко, В.Ю. Хворост // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 5. — С. 24-29. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Електротехніка і електромеханіка
description	Рассмотрена гибридная структура сильнотокового высоковольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакопеременного тока с точки зрения реализации позитивных свойств двооперационных асимметричных тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором в направлении снижения потерь мощности в ключах. Приведена схема фазового модуля с узлами однородной коммутации на гибридных ключах со сниженными динамическими потерями мощности. A hybrid structure of a high-current highvoltage two-quadrant alternating-current key is considered in terms of realization of positive properties of asymmetric dual-operational thyristers and bipolar insulated-gate transistors so as to reduce power loss in the keys. A scheme of a phase module with uniform switching nodes based on the hybrid keys with reduced dynamic power loss is given. Розглянута гібридна структура сильнострумового високовольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакозмінного струму з точки зору реалізації позитивних властивостей двоопераційних асиметричних тиристорів і біполярних транзисторів із ізольованим затвором в напрямку зниження втрат потужності в ключах. Наведена схема фазового модуля з вузлами однорідної комутації на гібридних ключах із зниженими динамічними втратами потужності.
first_indexed	2025-12-07T18:43:36Z
format	Article
fulltext	24 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 УДК 621. 331: 621. 311.4: 621: 314. 632 ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ СИЛЬНОСТРУМОВІ ВИСОКОВОЛЬТНІ КЛЮЧІ І ФАЗНІ МОДУЛІ НА ЇХ ОСНОВІ Панасенко М.В., д.т.н., проф., Панасенко Н.М., Хворост В.Ю., доц., к.т.н. Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України, Харківська філія Україна, 61050, Харків, пл. Фейєрбаха, 7а тел. 707-64-41 Розглянута гібридна структура сильнострумового високовольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакозмінного струму з точки зору реалізації позитивних властивостей двоопераційних асиметричних тиристорів і біполярних тран- зисторів із ізольованим затвором в напрямку зниження втрат потужності в ключах. Наведена схема фазового модуля з вузлами однорідної комутації на гібридних ключах із зниженими динамічними втратами потужності. Рассмотрена гибридная структура сильнотокового высоковольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакоперемен- ного тока с точки зрения реализации позитивных свойств двооперационных асимметричных тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором в направлении снижения потерь мощности в ключах. Приведена схема фазового модуля с узлами однородной коммутации на гибридных ключах со сниженными динамическими потерями мощности. 1. АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ І ПОСТАНОВА ЗАДАЧІ РОБОТИ В широкорегульованих зворотних схемах силових високовольтних автономних перетворювачів з реакти- вною компонентою навантаження до яких належать і тягові перетворювачі частоти магістрального електро- рухомого складу з асинхронними двигунами, як прави- ло, використовуються двоквадрантні ключі знакозмін- ного струму [1] на основі сильнострумових високово- льтних керованих двоопераційних напівпровідникових приладів: комутуємих по управляючому електроду тиристорів (GTO, GCT) або біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT, IEGT). Наявність в схе- мах цих ключів зворотного діода, шунтуючого керова- ний двоопераційний прилад, і робить можливим обмін потужністю між джерелом живлення і навантаженням в обох напрямках без зміни полярності їх напруг. Базовою комутаційною структурою для двоквад- рантних ключів знакозмінного струму в схемах авто- номних перетворювачів з широтно-імпульсною моду- ляцією є двофільтрова структура з "жорсткою" кому- тацією керованих двоопераційних приладів, так як ці перетворювачі мають силові фільтри на вході і виході їх вентильних комутаторів [2]. У відповідності до сво- го призначення силові фільтри згладжують вхідну напругу або вихідний струм. Тому на інтервалах ко- мутації ми можемо говорити про постійну напругу на керованому приладі при зростаючому струмі на етапі його ввімкнення та про постійний струм в керованому приладі при зростаючій напрузі на етапі його вими- кання. При визначенні загальних характеристик авто- номних перетворювачів як правило ідеалізують про- цеси комутації як при ввімкненні, так і при вимиканні ключів, вважаючи час комутації рівним нулю. Однак при виборі елементів ключів та при розрахунку енер- гетичних характеристик перетворювачів доводиться враховувати ненульовий час комутації і, отже, кому- таційні втрати як при ввімкненні, так і при вимиканні напівпровідникових приладів ключів. При цьому в першу чергу нас цікавлять комутаційні втрати в керо- ваних приладах ключів, в яких, з підвищенням часто- ти перемикань, складова комутаційних втрат потуж- ності не тільки наближається по своїй величині до складової статичних втрат потужності (втрат прямої провідності), але може й суттєво перевищувати цю складову [3, 4]. На практиці, поряд з удосконаленням самих керованих напівпровідникових приладів у на- прямку скорочення часу комутації, для підвищення струмових і частотних можливостей двоквадрантних високовольтних сильнострумових ключів знакозмін- ного струму, як правило, використовують і снаберну обв’язку цих ключів [5, 6], переносячи тим самим зна- чну частку складової комутаційних втрат з керованого напівпровідникового приладу ключа на снаберні лан- цюги. Однак наявність снаберних ланцюгів не приво- дить до покращення енергетичних показників пере- творювачів без додаткового введення в їх схему спе- ціальних засобів по відводу (передачі) накопиченої в їх реактивних елементах енергії в джерело живлення або навантаження [7]. Використання ж снаберних ла- нцюгів і схемних засобів по відводу від них накопи- ченої енергії суттєво ускладнює як силову схему са- мих ключів, так і силову схему автономного перетво- рювача в цілому. Поява на ринку силової електроніки сильнострумо- вих високовольтних керованих напівпровідникових приладів типу асиметричних HD-GTO, GCT, та IGBT, IEGT рекомендованих фірмами-виробниками для вико- ристання в двоквадрантних ключах знакозмінного стру- му в безснаберному варіанті [8], дозволяє по новому підійти до створення ключів на їх основі, а саме, гібрид- них ключів, виходячи з наявних преваг того чи іншого виду керованого напівпровідникового приладу. Тут ма- ється на увазі ті обставини, що високовольтні транзис- тори IGBT, IEGT мають більш кращі характеристики щодо високовольтних асиметричних тиристорів HD- GTO, GCT в частині швидкодії процесів вимикання і, отже, комутаційних втрат потужності при вимиканні, суттєво уступаючи по величині втрат потужності при ввімкненні та в режимі прямої провідності [8-10], а та- кож та стійкості до кризових струмів [11, 12]. Вирішення задачі щодо використання в практиці створення сильнострумових високовольтних ключів позитивних сторін кожного з двох видів керованих напівпровідникових приладів: біполярних транзисто- рів з ізольованим затвором і тиристорів з комутацією по управляючому електроду на думку авторів і дозво- Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 25 лить реалізувати гібридний енергоефективний силь- нострумовий високовольтний ключ, параметри якого будуть в найбільшій мірі відповідати вимогам їх ви- користання у фазних модулях потужних високовольт- них автономних перетворювачів з широтно-імпульс- ною модуляцією, і в першу чергу, в перетворювачах частоти для тягового асинхронного електропривода магістральних електровозів. Задача побудови гібрид- них енергоефективних сильнострумових високоволь- тних ключів і фазних модулів на їх основі є однією із складових пошукових науково-дослідних робіт Дер- жавного науково-дослідного центру залізничного транспорту України по розробці перетворювачів час- тоти з повітряним охолодженням для асинхронного тягового електроприводу магістральних електровозів потужністю 5600 – 6400 кВт. 2. СТРУКТУРА СХЕМИ ГІБРИДНОГО КЛЮЧА І ПРИНЦИП ЙОГО УПРАВЛІННЯ На рис. 1, а наведена схема гібридного ключа VK з драйвером БУ, а на рис. 1, б – є – ідеалізовані діаграми імпульсів управління керованими напівпровіднико- вими приладами: тиристорами VS–іyvs транзистором VT–uyvt струмів на інтервалах їх провідності та напру- ги Us і струму is на загальному інтервалі провідності ключа VK на періоді широтно-імпульсної модуляції ТШІМ при скважності γ регулювання тривалості прові- дності ключа близьким до 1. VS VT VD VK US + – БУ UyVT iyVT is б) а) в) г) д) е) э) iyvs t t t t t t t/ 1 + iyvs – t0 iyvs +(–) ТШІМ uyVT + uyVT – t1 t0 uyVT +(–) t2 t0+ ТШІМ t1 t0 is isvs tivs is tiVT t2 t0 t/ 1 isVT ∆Uvs t0 ∆UVT UD t2 tп t1 ТШІМ is t0 tivk=ТШІМ–tп≈ТШІМ t2 t0+ТШІМ is us t1 t/ 1 t1 tп Рис. 1. Схема гібридного ключа (а) і ідеалізовані діаграми процесу його управління (б-є): (VS-лінійний тиристор, VT- комутуючий транзистор) На початку кожного із періодів ТШІМ (t0, t0 + ТШІМ і т.д.) широтно-імпульсної модуляції вмикається ти- ристор VS ключа VK імпульсом управління і+уvs і через тиристор і, отже, через ключ VK, тече струм is. Тран- зистор VT ключа VK є вимкненим за рахунок дії на нього запираючого імпульса u– yvs. Напруга на ключі VK – US при цьому визначається прямим падінням напруги ∆UVS на тиристорі VS при струмі is у відпові- дності співвідношення sgvsvsvs irUU ⋅+=Δ 0 , (1) де U0vs, rgvs – відповідно порогова напруга і динаміч- ний опір тиристора VS. Для вимикання тиристора VS на нього подається в момент t1 запираємий імпульс і–yvs при одночасній по- дачі відпираємого імпульса u+ yVT на транзистор VТ клю- ча VK. Враховуючи більш високу швидкодію транзис- тора VТ при його ввімкненні у порівнянні із швидкоді- єю тиристора VS при його вимиканні, власно вимикан- ня тиристора VS і відновлення його блокуючих власти- востей при знеструмленні буде відбуватися при ввімк- неному стані транзистора VТ, який в момент початку відновлення блокуючої спроможності t/1 приймає на себе весь струм іs. Отже, вимикання і відновлення бло- куючих властивостей тиристора VS відбувається при обмеженій, на рівні прямого падіння напруги ∆UVT на транзисторі VT, напрузі, яка також може визначатися із співвідношення (1) при заміні відповідно порогової напруги U0vs і динамічного опору rgvs тиристора на ана- логічні параметри транзистора U0VT і rgVT. Етапи розсмоктування заряду і спаду анодного струму іs в тиристорах, комутуємих по управляючому електроду складають значно меншу частку загального часу вимикань цих тиристорів tGQ. Причому, етап роз- смоктування заряду ts, який визначається інтервалом часу між початком протікання негативного запираючого струму управління і–yVT і початком спаду анодного стру- му іs, можна знехтувати [13] на етапі спаду t1 – tі анодно- го струму іs тиристора VS, а на етапі переводу струму з тиристора на транзистор прийняти падіння напруги на ключі рівним падінню напруги на тиристорі VS. Необхідна тривалість інтервалу провідності tiVT транзистора VT повинна бути не меншою за час ∆tGQ який потрібний для відновлення блокуючих властивос- тей тиристора VS після його знеструмлення, тобто tiVT ≥ ∆tGQ. Величину ∆tGQ можна визначити із співвідношення ( ) sGQfsGQGQ tttttt −≈+−=Δ Π . (2) Параметр ∆tGQп представляє собою паспортний час вимикання тиристорів, комутуємих по управляю- чому електроду. Таким чином, інтервал провідності біполярного транзистора із ізольованим затвором tiVT в схемах гіб- ридних ключів не перевищує час вимикання їх тирис- торів, ∆tGQ, величина якого для сучасних сильностру- мових високовольтних приладів типу HD-GTO i GCT складає, як правило, всього 10 ÷ 30 мкс [13, 14]. Вимикання ключа VK виконується після віднов- лення блокуючих властивостей тиристора VS за раху- нок вимикання транзистора VT шляхом подачі на ньо- го негативного імпульсу управління u– yVT. Час вими- кання toff сильнострумових високовольтних біполяр- них транзисторів із ізольованим затвором складає 26 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 всього одиниці мікросекунд, причому, час спаду tE колекторного струму is на етапі вимикання не пере- вищує однієї мікросекунди [8, 9]. Після вимикання транзистора VT ключа VK на ключі і, отже, на всіх його напівпровідникових приладах, встановлюється постійна напруга джерела живлення UD. Мінімальна тривалість паузи tпmin в струмі is гібридного ключа VK як і у випадку чисто транзисторного або чисто тирис- торного ключа задається тільки умовою забезпечення необхідного часу для реалізації режиму "м’якої" ко- мутації транзистора при його вимиканні у випадку використання ємнісного снабера [8]. Щодо мінімаль- ної тривалості інтервалу провідностей гібридного ключа tiVKmin, то тут немає ніяких обмежень, так як в режимі роботи ключа при скважності близькій до ну- ля може комутувати тільки транзистор VT ключа. Стосовно енергоефективності гібридних сильно- струмових високовольтних ключів відмітимо наступ- не. Використання безснаберних двоквадрантних клю- чів знакозмінного струму в малоіндуктивних двофіль- трових комутаційних структурах в залежності від ви- ду керованого двоопераційного приладу: транзистора чи тиристора, відповідно потребує чи не потребує обов’язкового обмеження величини кризних струмів при ввімкненні керованого приладу ключа, які обумо- влені запізнюваннями вимикання протифазного діода. При використанні чисто тиристорних ключів прави- льний вибір типу протифазного діода і параметрів імпульса управління тиристора за рахунок допусти- мого короткочасного струмового перевантаження принципово дозволяє відмовитися від схемних засобів обмеження кризних струмів. В чисто транзисторних ключах струмове перевантаження за межі допустимої величини імпульсного струму є недопустимим. Тому в безснаберних транзисторних ключах навіть при відповідному підборі протифазного діода використо- вують обмеження кризного струму для зниження струмового перевантаження транзистора при його ввімкненні шляхом зниження швидкості наростання керуючого сигналу u+ yVT [2]. Однак незважаючи на простоту цього способу, він суттєво підвищує кому- таційні втрати енергії при ввімкненні Еоn такого ключа [12] у порівнянні з аналогічними втратами при без- снаберному ввімкненні тиристора. Цей недолік силь- нострумових високовольтних транзисторних ключів поряд із значно більшими статичними втратами по- тужності у порівняні з високовольтними тиристорами, комутуємими по управляючому електроду, незважа- ючи навіть на суттєву перевагу стосовно комутацій- них втрат в транзисторах при їх вимиканні у порів- нянні з аналогічними втратами в тиристорах, комуту- ємих по управляючому електроду, і не надає значної переваги чисто транзисторними ключами у порівнян- ні з чисто тиристорними як з боку їх вартості, так і енергетичних та частотних характеристик [6, 15, 16]. В гібридних безснаберних сильнострумових високо- вольтних двоквадрантних ключах знакозмінного струму використовуються переваги кожного із виду керованих напівпровідникових приладів: тиристора, комутуємого по управляючому електроду – переваги стосовно комутаційних втрат при ввімкненні і стати- чних втрат в режимі провідності; транзистора – пере- вага стосовно комутаційних втрат і швидкодії при вимиканні. Нижче в таблиці наведені результати роз- рахунку втрат потужності в сильнострумових високо- вольтних безснаберних транзисторному, тиристорно- му і гібридному ключах при роботі їх в двофільтровій комутаційній структурі із слідуючими робочими па- раметрами: fШІМ=1000Гц; І=ІС(ІTАі); UD=UDRM(UCEC)/2; γ=tiVK/TШІМ≈1. Таблиця Параметри ключа Ти п кл ю ча U CE S U D RM (B ) I C I T AV (A ) I C И I T Q RM (A ) U 0V T U 0v s (B ) r g V T r g vs (м O м) Eo n V T Eo n V S ( Дж ) Eo ff V T Eo ff V S ( Дж ) ∆P cт VT ∆ Pc т V S ( Вт ) ∆P on VT ∆ Po n V S ( Вт ) ∆P of f VT ∆ Po ff V S (В т) ∆P ∑V T ∆ P ∑ VT (В т) (∆ P c т/∆ P ∑ )1 00 (℅ ) Тр ан зи с- то рн ий 45 00 90 0 18 00 1, 5 2, 2 4, 0 2, 7 31 32 40 00 27 00 98 32 31 ,8 Ти ри с- то рн ий 45 00 14 00 32 00 1, 1 0, 4 2, 5 7, 0 23 24 25 00 70 00 11 82 4 19 ,6 5 Гі бр ид - ни й 45 00 12 00 32 00 12 00 1 ,1 1, 63 0, 4 3, 1 1, 75 3, 1 18 96 17 50 31 00 67 46 28 ,1 Транзисторний (СМ900НВ-90Н (IGBT Mitsubishi E.)) Тиристорний (5SHY35L4502 (IGCT ABB S.)) Гібридний (5SGY35L4502 НD GTO, СМ600НВ-90Н IGBT.) Порівняння результатів розрахунку, наведених в таблиці, показує суттєву перевагу сильнострумових високовольтних гібридних ключів у порівнянні як з чисто транзисторними сильнострумовими високово- льними ключами (втрати потужності в гібридному ключі на середній струм 1200А і робочу постійну на- пругу 2250В складають у розглянутому прикладі 68,6% втрат потужності чисто транзисторного ключа одинакової робочої напруги і меншим на 33,3% стру- мовим навантаженням), так і з чисто тиристорними сильнострумовими високовольтними ключами (втра- ти потужності в гібридному ключі на середній струм 1200А і робочу постійну напругу 2250В складають у розглянутому приладі 57% втрат потужності чисто тиристорного ключа однакової робочої напруги і бі- льшим всього на 16,7% струмовим навантаженням). Не менш важливою позитивною властивістю гіб- ридних безснаберних ключів є те, що при значно ме- ншій величині втрат потужності в них ці втрати ді- ляться практично рівномірно між лінійним тиристо- ром і комутуючим транзистором, а це при таблеточній конструкції приладів дозволяє достатньо просто реа- лізувати їх охолодження за допомогою охолоджувачів на теплових трубах [17]. 3. СИЛОВА СХЕМА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОГО ФАЗНОГО МОДУЛЯ НА БАЗІ ГІБРИДНИХ СИЛЬНОСТРУМОВИХ ВИСОКОВОЛЬТНИХ КЛЮЧІВ Достатньо значна частина динамічних втрат по- тужності при перемиканнях керованих напівпровідни- кових приладів в безснаберних високовольтних дво- квадрантних ключах знакозмінного струму як чисто транзисторних та тиристорних, так і гібридних, спо- нукає розробників перетворювальних агрегатів з ши- Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 27 ротно імпульсною модуляцією до пошуку ефективних засобів по їх зниженню. Традиційними засобами по вирішенню цієї задачі є обв’язка ключів снаберними ланцюгами: LRД- снабером – для зниження втрат потужності при вими- канні [7, 8]. При цьому правильний вибір параметрів елементів снаберів сприяє достатньо значному звіль- ненні керованих напівпровідникових приладів від ко- мутаційних втрат. Однак потужність втрат в резисто- рах цих снаберів, що визначається енергією запасає- мою в індуктивності LRД-снабера, та в ємності СRД- снабера і яка є пропорційною частоті перемикань клю- ча, може на відносно високих частотах стати обмежу- ючим фактором в їх використанні. Більш доцільним засобом для зниження комута- ційних втрат потужності є використання в фазних модулях автономних перетворювачів з широтно- імпульсною модуляцією вузлів однорідної комутації [18, 19], які не тільки вирішують задачу повного зни- ження динамічних втрат потужності при ввімкненні ключів на протифазний діод в двофільтровій комута- ційній структурі, але й дозволяють використовувати часто ємнісні снабери для зниження динамічних втрат потужності при вимиканні ключів не застосовуючи при цьому додаткових пристроїв скиду накопиченої в конденсаторі снабера енергії. Схема силової частини фазного модуля наведена на рис. 2, а. На рис. 2, б-г наведені діаграми ілюструючи процеси ввімкнення лінійних тиристорів VS ключів VK фазного модуля в нулі напруги на ньому. tJ б) ikm ik t3 t2 t1 t4 в) tk i Ud UVKв t г) J t t4t3 t5 iVSkв t5 + – J VKн ВОК Сkв Сkн S1 S2 Ud Ud 2 Ud 2 + + – – Lk VS VS VD VD VТ VТ С∂ С∂ VKв а) Рис. 2. Схема силової частини енергоефективного модуля на гібридних ключах VKв і VKн з вузлом однорідної комутації ВОК (Сkв, Сkн, Lk, S1, S2) (а); діаграми, ілюструючі процеси ввімкнення лінійного тиристора VS верхнього ключа VKв в нулі напруги на ньому (б) – (г) Розглянемо спочатку процес ввімкнення одного із гібридних ключів фазового модуля без снаберних конденсаторів С∂ (наприклад VKв) при квазісталому режимі роботи з навантаженням у вигляді джерела постійного струму величини J позитивного напрямку. У цьому режимі при вимкненому стані верхнього ключа VKв струм J тече через діод VD нижнього клю- ча VKн. Управління керованими напівпровідниковими приладами ключів VKв і VKн побудувала таким чином, що вони в квазісталому режимі вимикаються тільки при нульовій напрузі на них. В зв’язку з цим сформу- ємо перед ввімкненням лінійного тиристора VS верх- нього ключа VKв нульову напругу на ньому, що мож- на зробити за допомогою вузла однорідної комутації (ВОК). Для цього безпосередньо перед початком чер- гового інтервалу провідності ключа VKв вмикаємо тиристор S2 вузла однорідної комутації (в момент t1 на рис. 2, б). Ввімкнення цього тиристора, при доста- тньо великих ємностях конденсаторів Сk вхідного єм- нісного дільника (Сkв, Сkн) вузла однорідної комутації, приводить при лінійній комутуючій індуктивності Lk до наростання струму іk в контурі "Сkн – Lk – S2 – VDVKН" по лінійному закону і, отже, до зменшення струму у зворотному діоді VD нижнього ключа VKн. В момент часу коли зростаючий струм іk починає пере- вищувати величину струму навантаження J (момент t ≥ t2 на рис. 2, б) через діод VD нижнього ключа VKн почне протікати наростаючий зворотній струм іk – J. Під дією цього струму діод VD нижнього ключа VKн буде відновлювати свої блокуючі властивості за раху- нок виносу з його базових шарів накопиченого заряду зворотнім струмом (іk – J). При деякому значенню комутуючого струму іkm > J закінчиться процес відно- влення блокуючих властивостей цього діода (момент t3 на рис. 2, б) і він стрибкоподібно закривається. Надлишок струму іkm – J переходить в діод VD верх- нього ключа VKв і, отже, напруга на верхньому ключі стає нульовою (прямим падінням на діоді VD верх- нього ключа можна знехтувати). Починаючи з цього моменту і можна подавати відпираючий імпульс на лінійний тиристор VS верхнього ключа VKв. Момент t3 і є початком імпульсу провідності верхнього ключа VKв на періоді ТШІМ широтно-імпульсної модуляції. Перехід у проводячий стан верхнього ключа VKв створює новий контур протікання комутуючого стру- му іk, а саме контур "Сkв – Lk – S2 – VKв". В цьому кон- туры струм іk тече проти напрямку напруги на верх- ньому конденсаторі Сkв, вхідного ємнісного дільника і отже буде спадати. При цьому в інтервалі t2 – t4 він буде ще протікати через діод VD, а починаючи з мо- мента часу t4 – через відкритий попередньо тиристор VS цього ключа. Починаючи з моменту t4 на тиристор VS верхнього ключа почне переходити і струм наван- таження який на інтервалі часу t3 – t4 відбирався ще від вузла однорідної комутації. В момент часу t5, коли комутуючий струм іk під дією напруги Ud/2 верхнього конденсатора Сkв спаде до нуля, струм навантаження повністю перейде на тиристор VS верхнього ключа, а тиристор S2 вузла однорідної комутації вимкнеться і, отже, на цей момент і закінчаться процеси у фазному модулі пов’язані із ввімкненням верхнього ключа VKв. Процеси у фазному модулі пов’язані з ввімкнен- ням верхнього ключа VKв відбуваються в паузу (див. рис. 1,є) перед початком слідуючого періоду широт- 28 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 но-імпульсної модуляції ТШІМ, якщо в схемі відбуло вимикання цього ключа. При зміні напрямку джерела постійного струму J процес ввімкнення нижнього ключа VKн при негатив- ному напрямку джерела постійного струму проходить аналогічно процесам розглянутим вище за винятком того, що у вузлі однорідної комутації будуть спочатку задіяні тиристор S1 і верхній конденсатор Сkв з послі- дуючим переходом в момент t3 на нижній конденса- тор Сkн ємнісного дільника. Стосовно вибору параметрів елементів вузла од- норідної комутації, то тут треба відмітити слідуюче. Величина комутуючої індуктивності Lk і, отже, при заданій напрузі Ud/2 на конденсаторах ємнісного ді- льника, швидкість наростання струму іk (швидкість спаду струму в зворотних діодах ключів) визначаєть- ся із умови забезпечення допустимої швидкості спаду струму у зворотних діодах, яка регламентується фір- мами-виробниками, тобто − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ≥ VD k dt di UdL 2 (1) де − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ VDdt di – допустима швидкість спаду струму у зво- ротних діодах. Так при − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ VDdt di ≥ 300 А/мкс і Ud/2=2 кВ, вели- чина комутуючої індуктивності буде не перевищувати 3,33 мкГн і таку індуктивність доцільно виконувати у вигляді повітряного циліндра із стрічкового матеріалу малої товщини. В інтервалі комутації tk через індуктивність Lk тече імпульсний струм рівнобедреної трикутникові форми з амплітудою rrkm IJI += (2) де Іrr– амплітуда зворотного струму через діоди ключів при його вимиканні для заданої величини − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ VDdt di . Тривалість імпульсу tk струму іk в індуктивності Lk визначається − = VD km k dtdi I t )/( 2 (3) Такої форми і величини тече і імпульс струму через комутуючі тиристори S1 i S2 вузла однорідної комутації (через тиристор S2 при позитивному напря- мку джерела постійного струму J, через тиристор S1 при негативному напрямку джерела постійного стру- му J). Короткотривалий характер комутуючого струму ik і обумовлює невеликі діючі струми за період широ- тно-імпульсної модуляції ТШІМ в елементах вузлів однорідної комутації і, отже, малі втрати і невеликі установлені потужності цих елементів. Позитивною властивістю використання вузла однорідної комутації щодо струмових навантажень керованих напівпровідникових приладів ключів фаз- ного модуля є також і відсутність кризних струмів та обмежена (на рівні (di/dt)VD) швидкість наростання прямого струму у ввімкненому стані лінійних тирис- торів (рис. 2, г). Це дає можливість відмовитися від установки навіть невеликих снаберних індуктивнос- тей в силових схемах перетворювачів на основі фаз- них модулів з вузлами однорідної комутації. При наявності чисто ємнісних снаберів у фазних модулях з вузлами однорідної комутації відмітимо ще появу ряда позитивних чинників, а саме, це обмежен- ня потужності втрат при вимиканні комутуючого тра- нзистора з урахуванням еквівалентної ємності снабе- ра; це автоматичне скидання запасаємої енергії в кон- денсаторі снабера в момент передуючий безпосеред- ньо черговому ввімкненню ключа, це обмеження швидкості перепаду потенціалу загальної точки "фаз- ний модуль – навантаження". Із-за обмеженого об’єму даної публікації, ці про- цеси будуть розглянуті авторами у їх слідуючій пуб- лікації. "Енергоефективні сильнострумові високово- льтні фазні модулі з м’якою комутацією ключів і мо- стові автономні перетворювачі на їх основі". ВИСНОВКИ 1. Комбіноване використання у сильнострумових високовольтних безснаберних двоквадрантних клю- чах знакозмінного струму асиметричних двоопера- ційних тиристорів і біполярних транзисторів із ізо- льованим затвором відповідно в якості лінійних і ко- мутуючих вентилів дозволяє реалізувати переваги стосовно тиристорів по відношенню до транзисторів в частині кризових струмів, часу і втрат потужності у стані провідності, а стосовно транзисторів по відно- шенню до тиристорів – в частині часу і втрат потуж- ності при вимиканні. 2. Втрати потужності в безснаберних гібридних ключах 45-го і вище класів по напрузі і на постійний струм 400 і вище ампер при максимальному викорис- танні лінійних тиристорів по їх робочим значенням величин постійної напруги і постійного струму при частоті перемикань 1000 і вище Гц і коефіцієнту три- валості імпульсу провідності ключа близькому до 1 є значно меншим чим в чисто тиристорних і чисто тра- нзисторних ключах тієї ж потужності. 3. Для гібридного ключа 45- класу по напрузі і постійний струм 1200 А при частоті перемикань 1000 Гц і коефіцієнту тривалості імпульсу провідності ключа 0,999 сумарні втрати потужності складають всього 6746 Вт (із них 1896 Вт – статичні, 1750 Вт – при ввімкненні, 3100 Вт – при вимиканні), що більш чим на 2000 Вт менше сумарних втрат потужності в чисто транзисторному і більш як на 3500 Вт менше сумарних втрат потужності в чисто тиристорних клю- чах однакової потужності. 4. Використання гібридних ключів у фазних мо- дулях з вузлами однорідної комутації у безснаберно- му варіанті дає подальше зниження сумарних втрат потужності на величину динамічних втрат при ввімк- ненні ключа за рахунок забезпечення нульової напру- ги на ключі при його ввімкнені. 5. У фазних модулях з вузлами однорідної кому- тації повністю знімаються в квазісталому режимі ро- Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №5 29 боти проблеми пов’язані з необмеженою швидкістю наростання струму в безснаберних ключах, працюю- чих в двофільтрових комутаційних структурах з про- тифазним діодом. 6. Перехід до чисто ємнісного снабера в ключах дозволяє у фазних модулях на їх основі при викорис- танні вузлів однорідної комутації не тільки ще знизи- ти динамічні втрати потужності при вимиканні при менших величинах ємності конденсаторів снабера, але й реалізувати автоматичний скид запасаємої в конденсаторах снаберів енергії та забезпечити обме- ження швидкості перепаду потенціалу загальної точ- ки "фазовий модуль навантаження" при перемиканнях ключів. 7. Установлена потужність елементів вузлів од- норідної комутації фазних модулів є невеликою за- вдяки короткотривалості роботи цих вузлів. Чотири останніх висновка відносяться до фазних модулів із вузлами однорідної комутації як на основі гібридних ключів, так і на основі чисто транзисторних чи тиристорних ключів. ЛІТЕРАТУРА [1] Гончаров Ю.П., Будьоний О.В., Морозов В.Г., Пана- сенко М.В., Ромашко В.Я., Руденко В.С. Перетворю- вальна техніка. Підручник. ч.2. За ред. В.С. Руденка. – Харків: Фоліо. 2000. – 360 с. [2] Гончаров Ю.П., Панасенко М.В., Семененко О.І., Хво- рост М.В. Статичні перетворювачі тягового рухомого складу. Навчальний посібник під ред. Ю.П. Гончарова. – Харків: НТУ"ХПІ", 2007. – 192 с. [3] Чибиркин В.В. Создание силовых полупроводниковых приборов для преобразователей электроподвижного состава. / Электротехника, №3, 1998. – С. 1-9. [4] Сорин Л.Н., Колпахчьян П.Г. Потери в статических преобразователях электровозов постоянного тока с асинхронным тяговым приводом. // Вісник СНУ ім. В. Даля, №8(78), 2004. – С. 278-282. [5] Малютин В.А., Литовченко В.В., Грибанов П.Ф., Та- лья Ю.И. Анализ построения тягового и вспомога- тельного преобразовательного оборудования совре- менного ЭПС. // Труды ВНИИЖТа "Электрическая тя- га на рубеже веков". Под ред. А.Л. Лисицина. – М.: Интекс, 2000. – С. 130-150. [6] Y. Oi, S. Kato, T. Kato, A. Yajima, A. Ujiie, E. Takahara, IEGT Power Converters for the Shinkansen Traction Sys- tems // T. IEE Japan, Vol. 121-D, №3, 2001. – р. 356-362. [7] Булатов О.Г., Лыщак П.С., Одынь С.В. Мощные клю- чи на тиристорах, выключаемых по цепи управления. // Электротехн. пром. сеть. Сер. 05. Силовая преобра- зовательная техника: Обзор. информ. – 1988, вып. 19. – 48 с. [8] Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд. 2-е, пе- рераб. и доп. – М.: ДОДЭКА – ХХІ, 2005.– 384 с. [9] Technical Information IGBT-Modules FZ 600 R65 KF1, EUPEC, 2002. – 9 s. [10] Краткий каталог 1998 г. Мощные полупроводниковые приборы АВВ Semiconductors AG. – М.: АББ Индуст- рии и стройтехника, 1988. – 24 с. [11] Ласка Б. Системы приводов для электропоездов посто- янного тока 3 кВ. / Локомотив, №1, 2000. – С. 42-45. [12] Хворост Н.В. Эксплуатационные характеристики управ- ляемых полупроводниковых приборов тяговых преобра- зователей электроподвижного состава. / Інформаційно- керуючі системи на залізничному транспорті, №2, 2003. – С. 31-36. [13] Запираемые тиристоры. Быстродействующие диоды фирмы АВВ Semiconductors AG. – М.: Асоциация ин- жинеров силовой электроники, 1998. – 166 с. [14] Technical Information Mitsubishi Gate turn-off thyristors FG 4000 BX–90DA, 1998. – 4 р. [15] Лещев А.И., Суслова К.Н. Технико-экономическая эффективность применения IGBT, IGCT, GTO в новых разработках преобразователей электроподвижного со- става. / Изв. вузов. Электромеханика, №4-5, 2001. – С. 82-88. [16] Ласка Б. Развитие тяговых преобразователей на тран- зисторах IGBT. Предпосылки и факторы успеха тех- ники на базе IGBT. / Железные дороги мира, №11, 2003. – С. 32-39. [17] Кравченко Е.Н. Охлаждение силовых модулей на ос- нове тепловых труб в высоковольтном электроприво- де. // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”, част. 1, Київ, 2003. – С. 33-36. [18] Хворост М.В., Гончаров Ю.П., Панасенко М.В. та інш. Види комутації та енергетичні характеристики в елек- тричних колах з ключовими елементами./ Електротех- ніка і Електромеханіка, №4, 2005. – С. 67-72. [19] Гончаров Ю.П., Хворост Н.В., Ивахно В.В. Улучшение энергетических и динамических характеристик схем мягкой коммутации устройств силовой электроники с запираемыми полупроводниковыми приборами. // Тех- нічна електродинаміка. Тем. вип "Проблеми сучасної електротехніки", част. 2, Київ, 2006. – С. 113-120. Надійшла 13.02.2007
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142913
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	2074-272X
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T18:43:36Z
publishDate	2007
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
record_format	dspace
spelling	Панасенко, М.В. Панасенко, Н.М. Хворост, В.Ю. 2018-10-19T15:27:05Z 2018-10-19T15:27:05Z 2007 Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі / М.В. Панасенко, Н.М. Панасенко, В.Ю. Хворост // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 5. — С. 24-29. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142913 621. 331: 621. 311.4: 621: 314. 632 Рассмотрена гибридная структура сильнотокового высоковольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакопеременного тока с точки зрения реализации позитивных свойств двооперационных асимметричных тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором в направлении снижения потерь мощности в ключах. Приведена схема фазового модуля с узлами однородной коммутации на гибридных ключах со сниженными динамическими потерями мощности. A hybrid structure of a high-current highvoltage two-quadrant alternating-current key is considered in terms of realization of positive properties of asymmetric dual-operational thyristers and bipolar insulated-gate transistors so as to reduce power loss in the keys. A scheme of a phase module with uniform switching nodes based on the hybrid keys with reduced dynamic power loss is given. Розглянута гібридна структура сильнострумового високовольтного безснаберного двоквадрантного ключа знакозмінного струму з точки зору реалізації позитивних властивостей двоопераційних асиметричних тиристорів і біполярних транзисторів із ізольованим затвором в напрямку зниження втрат потужності в ключах. Наведена схема фазового модуля з вузлами однорідної комутації на гібридних ключах із зниженими динамічними втратами потужності. uk Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі Energy-saving high-current high-voltage keys and phase modules on their basis Article published earlier
spellingShingle	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі Панасенко, М.В. Панасенко, Н.М. Хворост, В.Ю. Електричні машини та апарати
title	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
title_alt	Energy-saving high-current high-voltage keys and phase modules on their basis
title_full	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
title_fullStr	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
title_full_unstemmed	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
title_short	Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
title_sort	енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі
topic	Електричні машини та апарати
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142913
work_keys_str_mv	AT panasenkomv energozberígaûčísilʹnostrumovívisokovolʹtníklûčíífaznímodulínaíhosnoví AT panasenkonm energozberígaûčísilʹnostrumovívisokovolʹtníklûčíífaznímodulínaíhosnoví AT hvorostvû energozberígaûčísilʹnostrumovívisokovolʹtníklûčíífaznímodulínaíhosnoví AT panasenkomv energysavinghighcurrenthighvoltagekeysandphasemodulesontheirbasis AT panasenkonm energysavinghighcurrenthighvoltagekeysandphasemodulesontheirbasis AT hvorostvû energysavinghighcurrenthighvoltagekeysandphasemodulesontheirbasis

Енергозберігаючі сильнострумові високовольтні ключі і фазні модулі на їх основі

Institution

Similar Items